基于MC34063负反馈支路自动增益控制电路设计

张天文，李廷军

(电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都 610054)

0 引言

自动增益控制电路(AGC)广泛应用于无线通信[1]、工业电力系统[2-3]、仪表测量[4]、信号处理[5-6]等领域。电子系统中，信号在传输过程中受地势、温度、窜扰信号的影响幅度产生波动，因此需要设计一款时变增益放大器，根据输入信号高低调节电压放大倍数使得输出信号幅度稳定。目前AGC环路多采用输出信号峰值检测、A/D采集、比较器和环路滤波器产生控制信号[7]，控制可变电压增益放大器(VGA)增益，闭环调节时间长，电路设计复杂，成本高。文献[8]提出一种利用忆阻器实现自动增益控制的方法；文献[9]采用数字A/D采集，经微控制器处理控制数字电位器实现放大器负反馈电阻改变放大增益。

本文设计一款基于MC34063负反馈支路的自动增益控制电路，将电源技术引入自动控制领域，巧妙利用开关电源芯片的基准电压，控制AD603增益；闭环负反馈支路由精密整流电路、积分器、运算器和MC34063组成，取代传统比较器和环路滤波器，设计简易可行，并且可通过AD603的多级级联实现增益的拓宽。该方法可替代传统的负反馈支路环节，电路简单，成本低，响应速度较快。

1 系统框图

该系统框图如图1所示。系统前向通路核心为VGA芯片AD603，AD603根据输入幅度波动调整放大增益；输出接负反馈支路，该支路由精密整流电路、积分器、运算器和MC34063组成；前向通路AD603的放大增益由负反馈支路MC34063控制。

该系统控制过程如下：

(1)输入信号幅度增大；

图1 系统框图

(2)输出信号幅度增大；

(3)经过峰值检测整流器、积分器和运算器产生的直流峰值电压增大；

(4)MC34063基准电压增大，而MC34063基准电压必须维持稳定；

(5)MC34063输出PWM占空比减小；

(6)占空比减小的PWM经过电感、肖特基二极管和电容DC-DC变换器转换所得增益控制电压减小；

(7)该增益控制电压接前向通路AD603增益电压控制端；

(8)AD603放大增益减小；

(9)输出信号幅度减小。

反之亦然，动态调节使输出幅度维持稳定。该环路控制方式类似于温度控制系统中的PID控制过程[10]。

2 系统电路原理图

2.1 AD603可变增益放大器

AD603是一款低噪声、电压控制放大增益VGA芯片，带宽最大可达90 MHz，广泛应用于射频(RF)等领域，AD603内部基于R-2R梯形电阻网络实现可变增益；AD603有3种工作模式，本系统采用其最大带宽模式(VOUT和FDBK短接)[11]。

AD603可变增益放大器如图2所示。由于AD603输入VIN≤1.4 V，为避免输入损坏芯片，设计二极管电位钳制电路；再通过电压跟随器隔离进入AD603的输入端；为使工作稳定引脚4和2分别对地接0 Ω(R4=R5=0 Ω)；引脚1为增益控制电压端GPOS，当该端口电压VG变化时，AD603的放大增益发生改变，VG与增益G的关系如下(单位：dB)：

G=40VG+10

(1)

图2 AD603可变增益放大器

当工作于最大带宽模式时，G的范围为-11.09～+31.05 dB，G与VG成线性关系，因此增益控制电压VG的范围为-500～500 mV；VG不能超出该范围，否则不成线性关系，导致调节混乱。

2.2 峰值检测精密整流器

用于峰值检测的整流器常用二极管半波或全波整流，但当输入信号的峰值小于二极管的导通压降，便不能实现峰值检测。因此本系统设计一种峰值检测精密整流器，如图3所示。

图3 峰值检测精密整流器

该峰值检测器由全波整流器和积分器组成。全波整流器巧妙利用运放和二极管D6、D7在正负周期的工作方式不同，避免了二极管导通压降0.7 V的影响，精密全波整流器工作模式框图如图4所示。工作在正周期时，两个运放均起比例放大作用，合成放大倍数为1；工作在负周期时，一个运放为放大倍数为-1的比例放大器，一个为电压跟随，因此输出波形反向翻转上去，形成全波整流。

图4 精密全波整流器模型

该全波整流器在Multisim中进行仿真，其仿真输出结果如图5所示，输入为2 V、1 kHz正弦波，输出正弦波负半周期成功实现翻转，并且未受二极管导通压降的影响。该全波信号经过积分器R12、R13、C3将交流信号转换成直流信号，通过该3项参数理论推导进行合理设置，输出信号和信号的峰值具有如下的线性关系：

Vfeedback=2Vpeak/π

(2)

式中：Vpeak为输出信号的幅度；Vfeedback为峰值检测输出信号。

图5 精密全波整流器仿真结果

2.3 运算器

运算器如图6所示，峰值检测输出信号Vfeedback经过电压跟随B隔离输入到下一级运放A；运放A为加法器，实现加法关系如下：

VD=VDC+(π/2)Vfeedback=VDC+Vpeak

(3)

式中：VDC为直流偏置电压；VD为MC34035基准电压。

图6 运算器

通过放大器电阻的选择还原信号的峰值，输出信号为信号峰值与一个直流电压之和，该输出D接下级MC34063的基准电压端，因此VD恒定不变，VDC的设置可以改变整个系统输出信号幅度的稳定值；本电路设计VD=5 V，因此整个电路的输出信号幅度为5-VDC(详细解释见下部分)。该电路巧妙利用加法器实现对输出信号幅度的可调，可进一步验证系统的可行性。

2.4 MC34063 DC-DC变换器

MC34063是一款双极性开关电源芯片，广泛地应用于DC-DC变换领域，连接较少的外围电路能够实现降压和升压，工作频率为100 Hz～100 kHz[12]。该部分电路如图7所示。

图7 MC34063 DC-DC变换器

典型应用电路将D和GPOS连接，MC34063引脚-VIN对地基准电压为1.25 V，对地接电阻R2=1.2 kΩ，D经电阻R1=3.6 kΩ接入，根据分压比VD=5 V，当VD增大时，基准电压增大，MC34063的开关频率降低，输出电压GPOS降低，因此D降低，直至VD=5 V。源自该开关电源典型电路的灵感，可将GPOS接图2的AD603的增益控制电压端，动态控制AD603的放大增益，经过峰值检测器，将峰值输入MC34063的输入端，从而维持输出幅度稳定。传统方案一般采用A/D采集输出电压，再经过DSP芯片处理，输出D/A给AD603等，成本较高，数字芯片的上升和下降建立时间长，且相对要进行算法的设计，复杂程度高；而本电路全部采用模拟电路实现，利用反应灵敏的电源芯片MC34063负反馈动态调节，设计简单，成本低，响应速度较快。

由于AD603的线性增益控制电压VG的范围为-500～500 mV，而MC34063的输出电压较大，因此采用电阻分压和电压-5 V进行调节控制GPOS处的电压在-500～500 mV之间。

2.5 系统供电

系统供电电路如图8所示，采用变压器线性稳压供电，变压器降压经LM781、LM7912分别产生+12 V、-12 V，再经LM7805、LM7905分别产生+5 V、-5 V。

图8 系统供电

3 测试结果

该自动增益控制电路输入接测试正弦信号(UTG900C信号发生器)，信号幅度手动调节，输出接UTD2052CL示波器，图6中DC接一个可调电压源。表1为测试数据，调节输入正弦信号的幅度，AD603根据输入的不同调节电压放大增益，从而输出信号不受输入的影响，幅度稳定在5-VDC，测试结果表明设计方案可行。

表1 系统测试结果 V

4 结束语

本自动增益控制电路采用MC34063开关电源芯片作为负反馈调节支路，通过实验验证了该方法的可行性，取代传统复杂的AGC环路负反馈调节环节，设计简单；且通过运算器，加入一个DC电压，利用加法器实现输出信号幅度的可调，设计简单，成本低，响应速度快。在实际应用中，设计者可根据需求选用不同的开关电源芯片，均可实现输出的稳定，在无线通信、工业自动控制等领域具有一定的开发前景。